양자 화학

Quantum chemistry

분자 양자 역학이라고도 불리는 양자 화학은 화학 시스템에 양자 역학을 적용하는 데 초점을 맞춘 물리 화학의 한 분야이며, 특히 원자 수준에서 분자, 물질, 그리고 용액의 물리적, 화학적 특성에 대한 전자적 기여의 양자 역학적 계산에 초점을 맞춘다.이러한 계산에는 계산된 파동 함수와 구조, 스펙트럼 및 열역학 특성과 같은 관측 가능한 특성에 대한 중요한 기여에 대한 정보를 캡처하면서 계산을 가능하게 하기 위한 체계적으로 적용된 근사치가 포함된다.양자 화학은 또한 분자 역학 및 화학 동역학에 대한 양자 효과의 계산과 관련이 있다.

화학자들은 분자 규모의 에너지 양자화에 관한 정보를 얻을 수 있는 분광학에 크게 의존한다.일반적인 방법은 적외선(IR) 분광법, 핵자기공명(NMR) 분광법, 주사 프로브 현미경법이다.양자화학은 다른 실험 데이터뿐만 아니라 스펙트럼 데이터의 예측과 검증에도 적용될 수 있다.

많은 양자 화학 연구는 화학 반응 중에 발생하는 반응 경로와 전이 상태에 대한 연구뿐만 아니라 개별 원자와 분자의 전자적인 지면 상태와 들뜬 상태에 초점을 맞추고 있습니다.분광학적 특성도 예측할 수 있다.전형적으로 그러한 연구는 전자파 기능이 핵 위치에 의해 단열적으로 매개변수화된다고 가정한다(즉, Born-Oppenheimer 근사).반경험적 방법, 밀도 함수 이론, 하트리-폭 계산, 양자 몬테카를로 방법 및 결합 클러스터 방법을 포함한 다양한 접근법이 사용된다.

슈뢰딩거 방정식에 대한 계산 솔루션의 개발을 통해 전자 구조와 분자 역학을 이해하는 것은 양자 화학의 중심 목표입니다.이 분야의 진보는 작은 분자 시스템에 대한 결과의 정확성을 높이고 현실적으로 계산될 수 있는 큰 분자의 크기를 증가시킬 필요성을 포함한 몇 가지 과제를 극복하는 데 달려 있습니다. 계산 시간은 확장 고려에 의해 제한됩니다. 계산 시간은 nu의 파워에 따라 증가합니다.원자의 밀러

역사

어떤 사람들은 양자 화학의 탄생을 1926년 [citation needed]슈뢰딩거 방정식의 발견과 수소 원자에 대한 그것의 적용으로 본다.하지만, 1927년 월터 하이틀러와 프리츠 런던의 기사는 종종 양자 화학 역사의 첫 번째 이정표로 인식된다.이것은 양자역학의 이원자 수소 분자에 대한 첫 번째 응용이며, 따라서 화학적 결합의 현상에 대한 응용이다.그 후 몇 년 동안 로버트 S.에 의해 많은 발전이 이루어졌다. Mulliken, Max Born, J. Robert Oppenheimer, Linus Pauling, Erich Hükel, Douglas Hartree, Vladimir Fock을 예로 들 수 있습니다.양자 화학의 역사는 또한 1838년 Michael Faraday에 의한 음극선의 발견, 1859년 Gustav Kirchhhoff에 의한 흑체 복사 문제에 대한 진술, 1877년 Ludwig Boltzmann에 의한 제안, 그리고 1900년 Max Planck에 의한 어떠한 에너지 라의 양자 가설을 거친다.이온화 원자 시스템은 이론적으로 이 에너지 요소들이 각각 개별적으로 에너지를 방사하는 주파수 δ와 플랑크 상수라고 불리는 수치와 비례하도록 많은 이산 에너지 요소들로 나눌 수 있다.그리고 1905년, 광전 효과(1839년), 즉 특정 물질에 빛나는 빛이 물질로부터 전자를 방출하는 기능을 할 수 있다는 것을 설명하기 위해, 알버트 아인슈타인은 플랑크의 양자 가설을 바탕으로, 빛 자체가 후에 광자라고 불리게 된 개별 양자 입자로 구성된다고 가정했다.이후 몇 년 동안, 이 이론적 근거는 서서히 화학 구조, 반응성 및 결합에 적용되기 시작했습니다.아마 이 분야에 가장 큰 공헌은 라이너스 [citation needed]폴링에 의해 이루어졌을 것이다.

전자 구조

주요 기사:전자 구조

양자 화학 문제를 푸는 첫 번째 단계는 보통 전자 분자 해밀턴을 사용하여 슈뢰딩거 방정식 (또는 상대론적 양자 화학에서는 디락 방정식)을 푸는 것입니다.이것은 분자의 전자 구조를 결정하는 것이라고 불립니다.분자 또는 결정의 전자 구조는 본질적으로 그 화학적 성질을 내포하고 있다고 할 수 있다.슈뢰딩거 방정식의 정확한 해는 수소 원자에 대해서만 얻을 수 있다(비록 수소 분자 이온의 결합 상태 에너지에 대한 정확한 해는 일반화 람버트 W 함수의 관점에서 확인되었다).다른 모든 원자, 또는 분자 시스템은 세 개 이상의 "입자"의 움직임을 포함하기 때문에, 그들의 슈뢰딩거 방정식은 정확하게 풀 수 없기 때문에 대략적인 해법을 찾아야 한다.

원자가 결합

주요 기사: 원자가 결합 이론

1926년 슈뢰딩거에 의해 양자화학의 수학적 기초가 마련되었지만,[citation needed] 양자화학의 첫 번째 진정한 계산은 1927년 독일의 물리학자 발터 하이틀러와 프리츠 런던의 수소 분자2 계산이었다고 일반적으로 받아들여지고 있다.하이틀러와 런던의 방법은 미국의 이론 물리학자 존 C에 의해 확장되었다. Slater와 미국의 이론 화학자 Linus Pauling은 원자가 결합(VB)[또는 Heitler-London-Slater-Pauling(HLSP)] 방법이 되었다.이 방법에서는 주로 원자 간의 쌍방향 상호작용에 관심이 집중되며, 따라서 이 방법은 결합에 대한 고전 화학자들의 그림과 밀접하게 관련되어 있다.그것은 어떻게 원자의 원자 궤도가 결합되어 분자가 형성될 때 개별적인 화학적 결합을 주는지에 초점을 맞추고, 궤도 교배와 공명의 두 가지 핵심 개념을 통합한다.

분자 궤도

부타디엔의 반결합 분자 궤도
주요 기사:분자 궤도 이론

대체 접근법은 1929년 Friedrich Hund와 Robert S에 의해 개발되었다. Mulliken: 전자는 전체 분자에 걸쳐 비국재화된 수학적 함수에 의해 기술됩니다.훈드-뮬리켄 접근법 또는 분자 궤도(MO) 방법은 화학자에게는 덜 직관적이지만 VB 방법보다 분광 특성을 더 잘 예측할 수 있는 것으로 밝혀졌다.이 접근방식은 Hartree의 개념적 기초이다.Fock 방법 및 추가 후 Hartree-Fock 메서드

밀도 함수 이론

주요 기사:밀도 함수 이론

토마스-페르미 모델은 1927년 토마스와 페르미에 의해 독립적으로 개발되었다.분자 전체의 처리에서는 그다지 성공적이지 않았지만, 이것은 파동 함수가 아닌 전자 밀도에 근거해 다전자 시스템을 기술한 첫 번째 시도였다.이 방법은 현재 밀도 함수 이론(DFT)으로 알려진 것의 기초를 제공했습니다.오늘날 DFT는 밀도 함수를 외부 전위, 교환 및 상관 에너지인 Kohn-Sham 운동 에너지라는 네 가지 용어로 나누는 Kohn-Sham 방법을 사용한다.DFT의 개발에 중점을 두는 것의 대부분은 교환과 상관관계를 개선하는 것입니다.이 방법은 Hartree 이후의 방법보다 덜 개발되었지만-Fock 방법은 상당히 낮은 계산 요건(순수 기능에 대해 일반적으로 n 기준 함수에 대해 n보다 나쁘지3 않은 확장)을 통해 더 큰 다원자 분자와 심지어 고분자도 처리할 수 있다.MP2 및 CCSD(T)에 필적하는 이러한 계산적 경제성과 정확도(Post-Hartree-)Fock 방법)은 계산 화학에서 가장 인기 있는 방법 중 하나로 만들었다.

화학 역학

더 나아가서는 분자의 움직임을 연구하기 위해 총 분자 해밀턴으로 슈뢰딩거 방정식을 푸는 것으로 구성될 수 있다.슈뢰딩거 방정식의 직접 해법은 양자 역학이라고 불리는 반면, 반고전적 근사법 내의 해법은 반고전적 역학이라고 불립니다.순수하게 분자운동의 고전적인 시뮬레이션은 분자역학(MD)이라고 불린다.역학에 대한 또 다른 접근법은 혼합 양자 고전역학으로 알려진 하이브리드 프레임워크이다.또 다른 하이브리드 프레임워크는 경로 적분 분자라고 불리는 분자역학에 양자 보정을 추가하기 위해 파인만 경로 적분 공식을 사용한다.다이내믹스예를 들어 고전 및 양자 몬테카를로 방법을 사용하는 통계적 접근법도 가능하며, 상태의 평형 분포를 설명하는 데 특히 유용하다.

단열 화학 역학

주요 기사: Born-Oppenheimer 근사

단열역학에서 원자간 상호작용은 퍼텐셜 에너지 표면이라 불리는 단일 스칼라 전위로 표현된다.1927년 Born과 Oppenheimer가 도입한 Born-Oppenheimer 근사치입니다.화학에서 이것의 선구적인 응용은 1927년 라이스와 램스퍼거, 1928년 카셀에 의해 수행되었고 1935년 에링에 의해 개발된 전이 상태 이론을 고려한 마르쿠스에 의해 1952년 RRKM 이론으로 일반화되었다.이러한 방법을 사용하면 잠재적 표면의 몇 가지 특성으로부터 단분자 반응 속도를 단순 추정할 수 있다.

비단열 화학 역학

주요 기사: Vibronic 커플링

비단열 역학은 (분자의 다른 전자 양자 상태에 해당하는) 결합된 여러 위치 에너지 표면 사이의 상호작용을 취하는 것으로 구성됩니다.결합 용어를 진동자 커플링이라고 합니다.이 분야의 선구적 연구는 1930년대에 Stueckelberg, Landau 및 Zener에 의해 이루어졌으며, 현재 Landau-Zener로 알려진 전환에 대한 연구입니다.이들의 공식은 회피된 교차점 부근에서 두 개의 반직선 전위 곡선 사이의 전이 확률을 계산할 수 있게 한다.스핀 금지 반응은 반응 물질에서 생성물로 진행될 때 스핀 상태의 최소 한 가지 변화가 발생하는 비단열 반응의 한 가지 유형입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크